Al igual que otros establecimientos del siglo XVI, el de Santa Catarina ha tenido varias intervenciones que han modificado su forma original. Su portada principal es renacentista, de un solo cuerpo, con un remate de frontón triangular; está confinada entre dos basamentos y decorada con cuatro relieves de arcángeles de talla prehispánica, con indumentaria de guerrero indígena. Tiene una torre campanario compuesta de basamento y dos cuerpos, con vanos apuntados y pilastras que sostienen un entablamento con medallones en los que se inscriben relieves en forma de flor de lis. Cuatro pináculos y un capitel rematan la torre.
La nave está cubierta con bóveda de cañón corrido y una cúpula de reciente fabricación sobre el crucero. Sus muros, reforzados con contrafuertes, tienen únicamente dos lucarnas en la nave y otras dos en sus transeptos.
